基于电润湿效应的无衍射光的电控生成装置及控制方法

摘要

本发明提供一种基于电润湿效应的无衍射光的电控生成装置及控制方法，该装置包括密闭圆柱形容器和控制电路，该容器内盛满导电液体和绝缘液体，导电液体在下绝缘液体在上，所述导电液体和绝缘液体的密度相同，且互不相容，所述容器的内侧壁上镀有导电膜，在导电膜的镀层上涂有疏水涂层，所述容器的内底壁上镀有环栅透明电极，电极的上再镀有电介质涂层，所述控制电路与环栅透明电极连接。本发明可通过控制电路动态的调整无衍射传播距离和中心光斑大小，其具有可实现性大、成本低与响应时间短等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及双液体微透镜生成无衍射光束生成技术领域，尤其是涉及一种基于电 润湿效应的无衍射光的电控生成装置及控制方法。

背景技术

无衍射光是麦克斯韦电磁方程中的一组特解，以光速传播并始终保持焦点状态， 零解贝塞尔函数形式的严格解奠定了其在自然界中生成无衍射光束的基础，在以下的 领域中可得到应用。其一是无衍射光束空间传播特性不变性，在精密工程中具有诱人 前景，在精密测量的领域中采用高斯光束的几乎全部场合均可采用无衍射光束代替， 克服高斯光束的离焦、畸变以及焦深局限等，实现测量仪器所普遍期望的高精度大量 程目标；其二无衍射光在球面透镜的变换作用下，在大深径比加工的激光加工、激光 医疗等领域的应用效果独特；其三在将来可望应用在宇航通讯、能量传输、电磁波炮 弹或电磁波子弹等领域应用，特别是在当前炙热的微机电与纳米技术领域。

尽管无衍射光束的生成方式繁多，无衍射光束的主要是通过圆锥透镜生成，因为 这种方式光束的传输传输率最高，仅需一片光学器件，且加工相对容易。然而，在微 光学系统中生成无衍射光束因圆锥透镜加工困难而难以实现；另外根据圆锥透镜生成 无衍射光束的相关理论，圆锥透镜面形精度直接影响了生成的无衍射光束的质量；其 次在圆锥透镜底面直径一定的前提下，其底面与锥面的夹角直接决定所生成的无衍射 光束的传播距离与中心光斑大小，传统的圆锥透镜面形加工精度费用高，并且在加工 成型后无法实现无衍射光束传播特性的实时调节；因此传统的无衍射光束生成方式极 大地限制无衍射光束的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于电润湿效应的无衍 射光的电控生成装置及控制方法，解决传统采用圆锥透镜生成无衍射光束，其圆锥透 镜面形的加工精度费用高，并且在加工成型后无法实现无衍射光束传播特性的实时调 节的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：一种基于电润湿效应的无衍射光的 电控生成装置，其特征在于，该装置包括密闭圆柱形容器和控制电路，该容器内盛满 导电液体和绝缘液体，导电液体在下绝缘液体在上，所述导电液体和绝缘液体的密度 相同，且互不相容，所述容器的内侧壁上镀有导电膜，在导电膜的镀层上涂有疏水涂 层，所述容器的内底壁上镀有环栅透明电极，电极的上再镀有电介质涂层，所述控制 电路与环栅透明电极连接。

优选的，所述环栅透明电极是由多个同心圆环的透明电极构成，每个同心圆环均 与控制电路连接，环栅透明电极与密闭圆柱形容器同轴。

优选的，所述导电液体为Na₂So₄水溶液，所述绝缘液体为C₁₂H₂₅Br。

优选的，所述导电液体含有NaCl溶液、硅氧烷、卤代烷烃中的一种或多种。

优选的，疏水涂层为聚四氟乙烯。

优选的，所述电介质涂层为聚酰亚胺或钛酸钡。

优选的，所述环栅透明电极为氧化锡掺氟导电玻璃。

优选的，所述控制电路包括所述控制电路包括电源输入端、多路电压输出接口和 用于分别控制多路电压输出接口的各路电压值的控制单元，所述多路电压输出接口与 环栅透明电极的各环对应连接。

一种权利要求1所述装置的控制方法，其特征在于，该方法以下步骤：

(1)确定需要控制实现的两液体接触锥形界面的夹角θ；

(2)根据公式分别控制环栅透明电极上的各环所施加的电压 值U，公式中R密闭圆柱形容器的内径，r为环栅透明电极 各环的半径，△n为导电液体和绝缘液体的折射率差，β₀为外加电压U＝0时导电液体 和绝缘液体的接触界面相对于疏水涂层之间的接触角，ε₀为疏水涂层的真空介电常数， ε_r为导电液体相对于疏水涂层的相对介电常数，δ₁₂为导电液体与绝缘液体之间的表面 张力，d为疏水涂层3的厚度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.由于圆锥透镜是两液体的接触界面，在透镜的制作工艺中不存在机械加工， 避免了微圆锥透镜难以机械加工的困难；

2.由于液体分子间的形成连续性，两液体所形成的圆锥面的面型精度可达0.3nm， 其近乎最为理想的圆锥面型，相对传统机加工的圆锥透镜可生成更为理想的无衍射光 束；

3.由于通过圆锥透镜所生成的无衍射光束的空间传播距离与折射率差和圆锥面 与底面的夹角成反比，因此选择折射率较为接近的两液体，在密闭圆柱形容器的容腔 半径一定的前提下，可让无衍射光束传播距离更长；

4.由于双液体接触圆锥夹角可由电场分布调控，因此可通过对电路在各环形透 明电极电压的调节，改变圆锥夹角实现对无衍射光束传播的参数实时电控调节。

附图说明

图1为本发明基于电润湿效应的无衍射光电控生成装置的半剖视结构示意图；

图2是环栅透明电极的结构示意图；

图3是多接口电压输出的控制电路原理简图。

附图标注说明：

1为密闭圆柱形容器；2为侧面电极；3为疏水涂层；4为导电液体；5为控制电 路；6为环栅透明电极；7为电介质涂层；8为两液体的接触界面；9为绝缘液体；10 为透明端盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明一种基于电润湿效应的无衍射光的电控生成装置，其基于电润湿效应的原 理，采用多同心环栅形电极按照调整空间电场分布，控制折射率不同、且互不相溶的 两液体所形成界面面型为圆锥形，并按照一定的映射关系改变电场分布改变圆锥形界 面的夹角以实现无衍射光束的特征参数的实时调节。主要适用于无衍射光束在微光学 中以及无衍射光束阵列，尤其是利用无衍射光束空间传播不变特性在光控制与光运算 过程中需要的参数改变等场景中。

本发明的具体结构，如图1所示，主要由密闭圆柱形容器1和控制电路5构成。 该密闭圆柱形容器1内盛满折射率不同、密度相同、且互不相容的导电液体4和绝缘 液体9，导电液体4在下、绝缘液体9在上，两种液体由透明的玻璃盖板10密封在密 闭圆柱形容器1的容腔中，且不能有气体或其它液体存在。由于导电液体4和绝缘液 体9折射率不同、密度相当、互不相溶，因此在表面张力的作用下，导电液体4与绝 缘液体9之间会自然形成了锥形的接触界面8。密闭圆柱形容器1的内侧壁上镀有导 电膜2，在导电膜2的镀层上涂有疏水涂层3。密闭圆柱形容器1的内底壁上镀有环栅 透明电极6，电极的上再镀有电介质涂层7，导电液体4直接与密闭圆柱形容器1底面 的电介质涂层7接触。控制电路5与环栅透明电极6连接，环栅透明电极6中各环上 的电压由控制电路5提供与控制。通过控制电路5调整各环栅电极与侧壁之间的电场 服从一定的分布，可将导电液体与绝缘液间的接触界面调整成表面形貌粗糙达0.3纳 米的完美锥形，从而可实现对照射的平行光束转换成无衍射光束；其中两液体在环栅 形透明电极6控制作用下所形成的锥形界面的锥角决定着无衍射光束的空间距离与中 心光斑的大小，因此要实现对无衍射光束参数的电控调节，按照一定的原则调整电场， 以对两液体接触的锥形界面锥角控制，实现无衍射光束传播特性的电控调节。

如图2所示，环栅透明电极6是由多个同心圆环的透明电极构成，每个同心圆环 均与控制电路连接，环栅透明电极6与密闭圆柱形容器1同轴。本实施例的导电液体 为Na₂So₄水溶液，绝缘液体为C₁₂H₂₅Br。导电液体中可含有NaCl溶液、硅氧烷、卤 代烷烃中的一种或多种。疏水涂层为聚四氟乙烯(Teflon AF1600)。电介质涂层为聚 酰亚胺或钛酸钡。环栅透明电极为氧化锡掺氟(F TO)导电玻璃。

控制电路包括所述控制电路包括电源输入端、多路电压输出接口和用于分别控制 多路电压输出接口的各路电压值的控制单元。控制单元可采用可编程控制器。多路电 压输出接口与环栅透明电极的各环对应连接。

通过控制电路控制接触锥面的锥角大小的控制方法具体为：

(1)确定需要控制实现的两液体接触锥形界面的夹角θ；

(2)根据公式分别控制环栅透明电极上的各环所施加的电压 值U，公式中R密闭圆柱形容器的内径，r为环栅透明电极 各环的半径，△n为导电液体和绝缘液体的折射率差，β₀为外加电压U＝0时导电液体 和绝缘液体的接触界面相对于疏水涂层之间的接触角，ε₀为疏水涂层的真空介电常数， ε_r为导电液体相对于疏水涂层的相对介电常数，δ₁₂为导电液体与绝缘液体之间的表面 张力，d为疏水涂层3的厚度。

本系统还包括所需的配套电源、安装平台以及相关的平行激光束等。

本发明的工作原理是：

当折射率不同、密度相当、互不相溶的导电液体4与绝缘液体9的两种液体放入 一个密闭圆柱形容器1内，导电液体4与绝缘液体9之间会在表面张力的作用下自然 形成接触界面。由于两液体折射率的差异，其接触界面就可作为光学界面；其次，由 于两液体密度相当就消除了重力对界面形状的影响；再者，由于绝缘液体9与密闭圆 柱形容器1的内侧壁的电浸润效应，通过对电场的空间分布的控制，将两液体的接触 界面变成圆锥形面，当单波长的平行光束沿密闭圆柱形容器1的轴向照射后，便可生 成无衍射光束：根据圆锥透镜生成无衍射光束的原理及其空间传播特性，当两液体接 触界面在电场作用下形成的圆锥面时，且圆锥面的侧面与底面的夹角为θ，两液体的 折射率差为△n，密闭圆柱形容器1的内径为R时，无衍射空间传播距离为z_max为：

z_max≈R/(Δn·θ)     (1)

无衍射光斑中心直径d大小为：

$d\approx \frac{2.405\lambda }{\mathrm{\Delta n}·\pi ·\theta }---\left(2\right)$

上式中的λ为照射平行单波长光束的波长，π为圆周率常数。

根据电润湿效应理论，环栅形透明电极6中的其中一环形电极上的外加电压U与 其对应的液体接触界面相对于圆柱形容器1的侧壁所形成的接触角β之间的关系如下：

$\cos \beta =\cos {\beta }_0+\frac{{ϵ}_0{ϵ}_r}{2d{\delta }_{12}}{U}^2---\left(3\right)$

上式中d为疏水涂层3的厚度，ε0和εr分别为疏水涂层3的真空介电常数和导电 液体4相对于疏水涂层3的相对介电常数，δ12为导电液体4与绝缘液体9之间的表 面张力，β0外加电压U＝0时两液体接触界面相对于疏水涂层3之间的接触角。要让两 液体的接触界面在电场作用下形成锥面，环栅透明电极6的各环上的电压满足如下关 系：

$U=\sqrt{\frac{(r-R)\cot \beta -A}{B}}---\left(4\right)$

上式中r为环栅透明电极6各环的半径。根据几何关 系其中两液体接触锥形界面的夹角θ接触角β的关系为θ＝β-90°，环栅透明电极6上的 各环施加的电压与接触圆锥界面的锥角θ对应关系如下：

$U=\sqrt{\frac{(R-r)\tan \theta -A}{B}}---\left(5\right)$

控制电路5根据上式分别对环栅透明电极6上的各环施加相应的电压，便可任意 调整接触锥面的锥角，从而实现无衍射光束参数的电控调节。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。